吃飯的時間很重要:「進食」,你身體的第二套時鐘重設系統

吃飯的時間很重要:「進食」,你身體的第二套時鐘重設系統
Photo Credit: Ishan Manjrekar @Flickr CC BY 2.0

我們想讓你知道的是

進食對於動物能否存活是一件大事。在自然情況下,生理時鐘掌管著睡眠與清醒的時間;但是,當有飢餓的壓力長時間存在時,控制權就會被進食的慾望奪取,清醒的時間將會隨能吃到東西的時間而調整。

進食的慾望──身體的第二套時鐘重設系統

進食對於動物能否存活是一件大事。在自然情況下,生理時鐘掌管著睡眠與清醒的時間(參考關鍵評論:「睡眠恆定」聽起來很專業,其實說白了就是「睡眠債」)。

但是,當有飢餓的壓力長時間存在時,控制權就會被進食的慾望奪取,清醒的時間將會隨能吃到東西的時間而調整。

比如說,當食物是24小時提供,實驗鼠的「睡眠/清醒周期」就會跟「光亮/黑暗週期」一致;也就是說,環境燈亮光明時睡覺,燈熄黑暗時清醒(圖1上半處)。但是當科學家限制實驗鼠一天只能在本來應要熟睡的的時間才能進食,他們觀察到實驗鼠也許前兩天還搞不清楚狀況,生理時鐘系統還沒有調整過來,而錯過了放飯的時間;但被餓到以後,他們會非常快速的掌握能進食的時段,睡眠會自動被中斷,甚至提早離放飯時間還有2-3小時前就醒了,以確保不再錯過這一天中唯一能吃飯的機會(圖1下半處)。

怎麼觀察的呢?我們可以放一個輪子在實驗鼠的籠子內,而輪子每分鐘內轉動幾圈就是評估他們活動量的資訊。齧齒類動物很喜歡跑輪子,所以他們只要睡醒了就會想去跑輪子。透過這個自發性跑輪子的喜好,實驗鼠的動與靜的活動變化能夠輕易地被記錄下來。以下圖1為例,圖中每條黑色的長條圖都是活動量,活動量越高則黑色長條也會越高。從左到右的每一行都是連續48小時的紀錄。黃色背景是當環境燈亮光明時,而我們可以看到,在吃飯時間沒有限制的情況下,實驗鼠因為在睡覺,都沒有甚麼活動。但是當吃飯時間只能在睡覺時間時(圖中紅色方格),實驗鼠的生理時鐘會使睡眠中斷,甚至在吃飯時間前3小時就清醒(紅色方格前的活動)。

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圖片修改自: Storch and Weitz, PNAS 2009 106 (16) 6808-6813; doi:10.1073/pnas.0902063106
圖1 實驗鼠在自由進食和限制進食的活動紀錄。圖片修改自Storch and Weitz, PNAS 2009 106 (16) 6808-6813; doi:10.1073/pnas.0902063106

上圖中每條黑色的長條圖都是活動量(高度與活動量呈正比)。每一行都是連續48小時(2天)的紀錄。而下一欄會以上一欄的第二天作為開頭的48小時紀錄。所以,第一欄記錄著第一天與第二天的活動-睡眠;第二欄記錄著第二天與第三天的活動-睡眠……以此類推。透過這種紀錄圖,科學家可以評估實驗鼠的生理時鐘是否破碎(由左往右看同一天的活動-睡眠周期),與受試者的生理時鐘是否精準(由上往下看不同天的活動-睡眠周期)。

圖1中可以看到相同一隻實驗鼠,在食物能夠自由取得與當吃飯時間被限制於特定時段時,行為有明顯的不同。為了能夠生存下去,即使是睡覺時間,實驗鼠的睡眠也會被中斷,以確保不會錯過一天中唯一能吃到東西的時候。而被中斷的睡眠時間甚至會比放飯時間提早3小時以上,這個因為期待有飯吃而有的活動就是「食物期待活動」(FAA)。

時間還沒到就想吃飯的「食物期待活動」

其實我們自己也有過類似的經驗。在上大學前,甚至是在部隊當兵的時候,吃飯的時間被學校或是部隊規律的限制著;如果12點是統一的吃飯時間,那最早可能10點就開始覺得肚子餓,並且在接近11點時,飢腸轆轆的感覺達到一個巔峰。

在生理時鐘的領域,我們專稱這個因為吃飯時間受限制、而在接近吃飯時間而有的行為變化叫「食物期待活動」(food anticipation activity;之後簡稱FAA)。也就是說,我們會記住固定的放飯時間,並且當時間越來越接近時,因為期待而有的變化。FAA是一種為了生存而調整的行為,即使放飯時間是在睡覺時間的中間點,也能自動的中斷睡眠。限制的進食(也就是不能想吃就吃)和規律的吃飯時間(有個基準能做調整)是兩個必要條件。

也就是說,對三餐不定時的人而言,較不容易在固定的時間有肚子餓的感覺。甚至有可能,好不容易工作到了一段落有時間吃東西的時候,卻覺得不太餓,要一直等到聞到食物的香味或是看到美味的食物時,才開始有肚子餓的感覺。但這時候的肚子餓就不是由生理時鐘催動的反應了。

現在試著回想看看,是不是在學校或是當兵的時候,肚子餓的時間很固定;但開始上班忙了以後,這樣的經驗就不見了呢?

能不能用飲食時間改善睡眠?

既然當食物來源受限時,能吃東西的時間會打斷睡眠讓我們起床吃東西;反過來想,如果我們也限制自己有固定的吃飯時間,而且是在該吃東西的時候才吃,能不能加強生理時鐘的規律,甚至改善睡眠或是加速時差的調整呢?

這個問題也是現在科學家正在檢視的假說。過去我們已經有非常多的報告指出在錯誤的時間進食,對身體會有不好的影響(如肥胖、增高的心血管疾病風險等等)。但是當實驗鼠能吃飯的時間被限制在活動期內的8個小時(對比人類作息,可以想像成是早上10點到晚上6點),實驗鼠變得比較健康,而且也比24小時自由進食的控制組更能夠抵抗高脂肪的食物。(更多詳情建議閱讀Melkani, G. C. and Panda, S. (2017), Time-restricted feeding for prevention and treatment of cardiometabolic disorders. J Physiol, 595: 3691–3700.)

在加速時差的調整的議題上,從動物實驗中的觀察也有好消息:圖2中科學家透過調整光亮/黑暗的時間,模擬時差的環境。從實驗鼠的活動紀錄可以清楚看到,配合限制進食時間的實驗鼠適應新的光亮-黑暗周期,比沒有刻意控制進食時間的控制組還要更快。

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圖片修改自Ubaldo-Reyes et al. (2017), Scheduled meal accelerates entrainment to a 6-h phase advance by shifting central and peripheral oscillations in rats. Eur J Neurosci, 46: 1875–1886.
圖2 配合限制時間的進食,實驗鼠調整時差的速度加快。圖片修改自Ubaldo-Reyes et al. (2017), Scheduled meal accelerates entrainment to a 6-h phase advance by shifting central and peripheral oscillations in rats. Eur J Neurosci, 46: 1875–1886.

上圖中箭頭指的時間是給予時差的時候,實驗鼠所處的環境「光亮-黑暗」周期被往前調整了6個小時,可以想像成搭飛機往西邊飛所造成的時差。圖片上下的黑白交替的長條是環境的光照條件:白色長條是光照期,而黑色長條是黑暗期。為了閱讀的方便,作者將黑暗期(中間)的背景用深灰色表示。圖中可以清楚看到在受到時差干擾前,實驗鼠的「活動-睡眠周期」與「光照-黑暗周期」大致上是吻合一致的。當受到時差的干擾時(箭頭所指處),控制組(左)需要花很多天慢慢調整生理時鐘;相較之下,配合限制進食的實驗鼠(右),他們很快就能調整生理時鐘至新的環境。

食物能夠影響生理時鐘是一個重要的發現,而且這對值夜班或是因旅行而有時差的人是個好消息,因為這表示我們可以透過對飲食的控制,保持我們生理時鐘的規律。

值夜班或是旅行的時差,都會讓我們在不適當的時間接觸到光的訊號,因此也擾亂了生理時鐘的規律;透過飲食的控制,我們將能夠改善因為夜班或是時差而有的不好的影響。當然,雖然在實驗鼠的觀察中有許多好消息,我們仍需要更直接來自人類受試者的證據,來確認這個新的飲食治療對於睡眠、時差、夜班的影響。

時間VS營養

透過飲食影響我們生理時鐘的規律開啟了新的研究與應用的領域:時間營養學(chrono-nutrition)。時間營養學不僅研究飲食如何影響生理時鐘的規律,也著重那些營養成分會影響生理時鐘,以及一天當中的甚麼時段攝取那些營養能對我們的健康有最大的幫助。

營養緊扣著動物能否存活下去的關鍵,演化的結果使高等動物有著非常複雜的消化代謝網路:高度分化的器官(肝,腎,胃,大小腸等等)各司其職。無論是日行或夜行動物,這些重要的消化器官都受生理時鐘的影響,讓身體在進食前準備好,以便有效率地執行這個重要的任務。

以肝臟為例,當科學家把能夠發螢光的基因放入肝臟細胞後,能清楚的觀察到肝臟的基因表現活動有明顯的日夜變化(圖3)。

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圖片改自Yu Tahara et al. 2012: DOI 10.1016/j.cub.2012.04.009 
圖3 用螢光基因的技術觀察器官在活體小鼠的基因表現。圖片改自Yu Tahara et al. 2012: DOI 10.1016/j.cub.2012.04.009 

由螢火蟲基因中找到的發光酵素(luciferase)會與研究員注入小鼠體內的螢光蛋白(luciferin)作用,而發出螢光。Luciferin由拉丁文而來,是帶來光的人(light-bringer)的意思。透過這個技術,研究員得以觀察並記錄器官的基因表現活動。

上圖箭頭分別標示出了腎臟(上)和肝臟(下)。顏色代表著訊號強度,藍色是低活動,紅色是高活動(可以參考右邊的彩虹色比例尺)。ZT代表著Zeitgeber Time,是生理時鐘領域常用的表示方法。ZT 0表示光周期的開始;ZT 12表示暗周期的開始。圖中可以看到腎與肝都是在老鼠活動期(active phase; ZT12~0)時有活動的高峰。

有些食物的成分也具有重設代謝器官生理時鐘的功能。舉例來說,醣(glucose),不僅吃了讓我們快樂,也是能夠重設生理時鐘的很強的訊號。咖啡因除了之前介紹的與睡眠債競爭的功能外,也被發現能夠影響大腦的生理時鐘。高脂肪食物不僅影響睡眠/清醒週期,也直接影響著脂肪細胞的生理時鐘。飲酒也被證明會影響許多腦區的生理時鐘。這些例子都指出不僅光照能讓我們大腦和身體知道環境的時間,吃飯的時間和吃進去的成分也具有重設生理時鐘的功能。

結語

對必需值夜班的行業或熬夜唸書的學生而言,要控制接觸到光的時間是不可能的事情:晚上工作時,必須有光才能做事;而白天時,不管是夜班結束回家休息或是學生上學,太陽光是避不開的。因此生理時鐘被干擾是在所難免。好險,生物的行為都有彈性,因此對環境有一定的適應性。而「進食」,就是第二套能夠規律生理時鐘的系統。

我們沒有辦法控制接觸光的時間,但卻有100%控制自己飲食的能力。這篇文章只淺談了時間營養學中的進食時間和營養成分能夠影響生理時鐘。除了時間營養學外,時間藥理學(chrono-pharmacy)和時間運動學(chrono-exercise)都是非常有趣的議題,也會在之後的文章一一介紹。

參考文獻

本文經王輝斌授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航